質(zhì)量源于設計QbD指導原則在醫(yī)療器械研發(fā)中的實證研究——層析式總膽固醇自測儀的研發(fā)項目管理

1、本文主要思考和討論的內(nèi)容是嘗試將質(zhì)量源于設計（Quality by Design，QbD）這 一理念和原則運用于一個全新的醫(yī)療器械產(chǎn)品研發(fā)的項目全程設計、跟蹤、指導和管 理，以期獲得將 QbD 落實于醫(yī)療器械研發(fā)的一些初步方法和成功或失敗兩方面的一 些基本經(jīng)驗，以及為今后進一步探索如何將 QbD 指導原則同醫(yī)療器械新產(chǎn)品研發(fā)相 結(jié)合建立一個初步的研究實例和方法學案例。相較于制藥企業(yè)，國內(nèi)的醫(yī)療器械（包括診斷試劑）企業(yè)對 GMP 理念和原則的 接受和推廣得更晚，因而更需要有既符合科學實踐原則又具有實際指導意義的新理念 和新方法來指導醫(yī)療器械產(chǎn)品（包括診斷試劑產(chǎn)品）的研發(fā)、生產(chǎn)和市場銷售的各個 階

2、段。而 POCT（Point of Care Testing），國內(nèi)目前通常譯作即時檢驗或現(xiàn)場檢驗，作為 醫(yī)療器械產(chǎn)品中的一個特殊領(lǐng)域，近年來在國外，尤其是歐美市場取得了長足的發(fā)展， 但國內(nèi)自上世紀九十年代中期開始引進和推廣血糖儀產(chǎn)品及妊娠和尿試紙檢測等少 數(shù)幾個產(chǎn)品外，并無更多的產(chǎn)品推出，而臨床和實際又有較廣泛的應用和需要。本項目團隊根據(jù)這一個情況，經(jīng)過廣泛的調(diào)研和認真的評估，提出了開發(fā)總膽固 醇（Total Cholesterol，TC）POCT 產(chǎn)品的計劃和構(gòu)想，并依據(jù)同期在北大 IPEM 學習 所獲得的 QbD 相關(guān)知識、方法和經(jīng)驗，創(chuàng)新地嘗試在項目啟動初期即將正在國內(nèi)外 制藥領(lǐng)域推廣

3、應用的 QbD 的方法和原則運用于實際的產(chǎn)品研發(fā)全過程中。關(guān)鍵詞：質(zhì)量源于設計 醫(yī)療器械研發(fā) 即時檢驗 總膽固醇檢測儀Title：A case of the application of QbD rules in the research and development of medical device-the analysis of project management of the instant total cholesterol kitABSTRACTIn this paper，the principle of QbD (Quality by Design) concept was

4、discussed and applied in the whole research process of a new medical device(MD), including the design process, project tracking, guidance and management. It was expected to acquire some fundamental method and basic experience of both success and failure from the MD research, and also trying to estab

5、lish an initial research example and a methodology case to discover how to combine the QbD rule with the development of MD product in the future.Compare to the pharmaceutical industry, the GMP principle was much later introduced and accepted to the medical device industry (including the diagnostic r

6、eagent industry) in China. So it is more necessary to bring new ideas and new methods which are both scientific, reasonable and practical to instruct the development of a new medical device product as anintegrated process，from research to manufacturing and to marketing of the final product.POCT as a

7、 short form of Point of Care Testing is a special area of MD products, which has made significant progresses on the U.S. and European market in recent decades. But in China, the popular products that has been introduced as a POCT product include only a fewsuch like glucometer，pregnant test kit and u

8、rine test kit, while POCT products areactually more widely and necessarily demanded and required for both healthcare and clinical purposes.According to such situation, the team has launched a comprehensive development plan of Total Cholesterol（TC ）products based on extensive study and careful evalua

9、tion. The knowledge, principle and experience of QbD learned in Peking University were innovatively introduced in the research process at the very beginning.In this paper, the method and principle of QbD was approached in the research and development of an instant total cholesterol test kit. The maj

10、or tasks of this project include the followings:Keywords ： Quality by Design, Research and Development, Medical Device and Diagnostic Reagents, Point of Care Testing, Total Cholesterol Test Kit目錄第一章序言11.1研究背景1QbD 及其在制藥行業(yè)中的應用1醫(yī)療器械和 POCT5層析式膽固醇自測儀的研究背景81.2研究內(nèi)容81.3研究意義101.4本論文的研究方法10第二章層析式總膽固醇自測儀的設計112

11、.1檢測原理設計11總膽固醇定量分析方法概述11定量分析方法選擇132.2儀器設計14儀器原理設計14檢測系統(tǒng)設計14檢測系統(tǒng)選材16第三章層析式總膽固醇自測儀的開發(fā)223.1總膽固醇的酶法模擬檢測22過氧化氫的測定22膽固醇的測定25豬血清中總膽固醇的測定28人血清中總膽固醇的測定333.2總膽固醇的快速層析檢測37反應系統(tǒng)的定型37儀器結(jié)構(gòu)的定型42過氧化氫的測定44質(zhì)控血清中總膽固醇的測定46人血清中總膽固醇的測定47第四章穩(wěn)定性研究504.1穩(wěn)定性研究方案50穩(wěn)定性研究目的50穩(wěn)定性的基本內(nèi)容50有效期限的確定52穩(wěn)定性研究項目的設置534.2穩(wěn)定性研究結(jié)果54顯色試紙的穩(wěn)定性結(jié)果54

12、反應控制紙的穩(wěn)定性結(jié)果54HRP 溶液的穩(wěn)定性結(jié)果56第五章臨床試驗615.1臨床試驗方案61目的和項目內(nèi)容61總體設計61臨床評價標準62臨床試驗持續(xù)時間及其確定理由64每病種臨床試驗例數(shù)及其確定理由64選擇對象范圍、選擇對象數(shù)量及選擇理由64副作用預測及應當采取的措施65臨床性能的評價方法和統(tǒng)計處理方法655.2臨床試驗結(jié)果66回收試驗結(jié)果66對比試驗結(jié)果66批內(nèi)精密度74第六章結(jié)論與展望766.1結(jié)論766.2案例說明76工藝設計的透徹理解76實驗設計和驗證78設計空間的建立806.3展望82參考文獻83后記86第一章序言1.1 研究背景1.1.1 QbD 及其在制藥行業(yè)中的應用1.1.

13、1.1 QbD 概念的起源QbD 是質(zhì)量源于設計（Quality by Design）的簡稱，美國知名質(zhì)量管理學者 Joseph M. Juran 首先提出這個概念，他在多篇著作中闡述了他的觀念，其中最著名的當數(shù) Juran on Quality by Design1。Juran 認為質(zhì)量應該能被設計出來，大多數(shù)的質(zhì)量危機和 問題與最初的設計有關(guān)。QbD 原則已被用于提高各個工業(yè)的產(chǎn)品和流程的質(zhì)量，在電子、汽車、飛機制造 行業(yè)已經(jīng)成功應用多年，尤其是在汽車行業(yè)。近年來以美國 FDA 為代表的藥物監(jiān)管 機構(gòu)提出采用 QbD 原則作為國際藥品生產(chǎn)質(zhì)量治理的新方向， FDA 在生產(chǎn)指南中關(guān)于 QbD

14、 的定義為“designing and developing a product and associated manufacturing processes that will be used during product development to ensure that the product consistently attains a predefined quality at the end of the manufacturing process”2。QbD 的實施背景人用藥品注冊技術(shù)要求國際協(xié)調(diào)會（ICH）出臺相關(guān)指導文件 Q8 以及 Q8R，為 設計與藥品質(zhì)量之間的關(guān)系進行

15、闡述，并與 Q9（風險管理），Q10（質(zhì)量管理體系） 等文件構(gòu)成理想的質(zhì)量控制狀態(tài)的框架3，如圖 1-1 所示。其中 Q8 部分明確說明質(zhì) 量不是通過檢驗注入到產(chǎn)品中，而是通過設計賦予的。想要獲得良好的設計，必須增 加對產(chǎn)品的認知和工藝的全過程控制，并且達到兩個目的：一是設計空間的建立，二 是 ICH 認為可借此拓展出更靈活的管理辦法4。從藥品監(jiān)督管理者的角度看，藥品的研發(fā)、生產(chǎn)、審評和監(jiān)管等業(yè)務角度看藥品 質(zhì)量，可以粗略地分成操作和技術(shù)兩個層面。一般認為，藥品生產(chǎn)和監(jiān)管（GMP）主 要關(guān)注操作的內(nèi)容，藥品研發(fā)和審評主要關(guān)注技術(shù)內(nèi)容。但 QbD 的理念將上述操作 層面和技術(shù)層面的問題有機地融合

16、為一體，整體地納入了集藥品研發(fā)、生產(chǎn)科學（Manufacturing Science）和監(jiān)管科學（Regulatory Science）為一體的科學范疇，為從根本上提高藥品質(zhì)量提供了科學基礎，也為藥品監(jiān)管提供了新的理念和手段5。圖 1-1ICH 藥品質(zhì)量體系框架3 從藥品生產(chǎn)企業(yè)的角度來看，通過QbD可以實現(xiàn)在設計階段就考慮產(chǎn)品質(zhì)量和患者需要，通過試驗設計確定設計空間，使工藝開發(fā)更有目的性，避免在大生產(chǎn)階段變 更生產(chǎn)工藝參數(shù)，即使變更也要在設計空間被合理變動。在試驗開發(fā)階段，可以充分 利用同類產(chǎn)品、其他生產(chǎn)廠家的技術(shù)信息和已有的知識，科學理解和掌握生產(chǎn)工藝和 步驟，實現(xiàn)知識管理。最后從經(jīng)濟的角

17、度來分析，據(jù)FDA估算，由于設計缺陷導致產(chǎn)品召回占召回總量 的40。采用QbD進行管理的半導體行業(yè)，其質(zhì)量缺陷率可以達到6西格瑪，即百萬 分之三點四，質(zhì)量成本占13。而傳統(tǒng)方式管理的制藥行業(yè)，其質(zhì)量缺陷率僅可以 達到2西格瑪，即百分之三十，質(zhì)量成本占25356。這組數(shù)據(jù)對比是制藥企業(yè)采用 QbD降低產(chǎn)品成本的巨大推動力。 QbD 在制藥行業(yè)的理解QbD 是一種更系統(tǒng)化的開發(fā)方法，在產(chǎn)品的整個生命周期中融合了現(xiàn)有的知識和 實驗設計得到的研究結(jié)果，運用了質(zhì)量風險管理和知識管理（ICH Q10）。該方法增強 了產(chǎn)品質(zhì)量目標的實現(xiàn)能力，有助于監(jiān)管者更好理解公司的戰(zhàn)略。QbD 指導的藥物開 發(fā)主要包含以

18、下內(nèi)容：制訂產(chǎn)品質(zhì)量目標文件（Target Product Profile ，TPP）、確定 產(chǎn)品關(guān)鍵的質(zhì)量屬性（Critical Quality Attributes，CQAs）、風險評估（Risk Assessment）： 將原材料屬性和工藝參數(shù)與產(chǎn)品 CQAs 聯(lián)系在一起、限定設計空間（Design Space）、 設 計 和實 施控 制戰(zhàn) 略 （ Control Strategy）、 管 理 產(chǎn)品 生命 周期 （Product Lifecycle Management）和持續(xù)改進(Continual Improvement)等7。其中，將原材料屬性與終產(chǎn)品CQAs 連結(jié)在一起是一種有價

19、值的科學過程，有助于確定哪些材料屬性和工藝參數(shù)嚴 重影響產(chǎn)品的 CQAs。藥品的質(zhì)量保證并不能通過測定來達到，而是通過對藥物的研發(fā)過程中科學信息 的積累和對藥物性能和生產(chǎn)工藝的了解，包括生產(chǎn)過程中各參數(shù)與藥品中各組分的相 關(guān)作用，以及可靠的質(zhì)量管理體系。QbD 的最終目的在于藥品應當為病人的需要和藥 物性能而設計。而生產(chǎn)過程則應設計成為達到生產(chǎn)中關(guān)鍵技術(shù)指標，熟悉原料和生產(chǎn) 過程中各參數(shù)對藥品質(zhì)量的影響，辨別生產(chǎn)中各種誤差來源并能有效控制、以及持續(xù) 不斷的監(jiān)控生產(chǎn)過程。所有這些信息應及時反饋到設計程序中以達到對生產(chǎn)工藝的不 斷改進，進而達到對藥品質(zhì)量改進之目的。圖1-2QbD流程和各元素間的質(zhì)

20、量關(guān)聯(lián)圖8在Q8R的Appendix 1. Differing Approaches to Pharmaceutical Development中列舉 了當前醫(yī)藥界一般開發(fā)方法與使用QbD的方法比較7，詳見表1-1。QbD 在制藥行業(yè)的應用情況2005年，以美國FDA為代表的發(fā)達國家的藥政監(jiān)管部門開始積極倡導和推行 QbD。美國制藥業(yè)在2005年開始討論QbD，2006年QbD在美國正式啟動。FDA認為， QbD是cGMP的基本組成部分，是科學的、基于風險的全面主動的藥物開發(fā)方法，從產(chǎn)品概念到工業(yè)化均精心設計，是對產(chǎn)品屬性、生產(chǎn)工藝與產(chǎn)品性能之間關(guān)系的透徹 理解。對按照QbD概念開發(fā)的藥品，F(xiàn)

21、DA在審評的過程中將樂意更多地與企業(yè)進行溝 通，并在日常的監(jiān)管中對于設計空間范圍內(nèi)的操作變更不再進行審批，實行更為寬松 的“彈性監(jiān)管”。這一切都是因為FDA對申報項目有了更多的了解，這增加了FDA的 信心，也有利于申報項目獲得批準。表1-1醫(yī)藥界一般開發(fā)方法與使用QbD的方法比較7項目QbD 實施前QbD 實施后藥物開發(fā)主要靠經(jīng)驗系統(tǒng)化，深刻理解原材料屬性和工藝全過程一次僅研究一個變量參數(shù)與產(chǎn)品 CQAs 的聯(lián)系多變量的實驗，以便理解產(chǎn)品和工藝流程建立設計空間運用 PAT 工具制造流程制造流程固定，驗證完整批，在設計空間范圍內(nèi)調(diào)整關(guān)注優(yōu)化和重現(xiàn)性驗證整個生命周期，理想狀態(tài)是連續(xù)的流程驗證關(guān)注控

22、制策略和穩(wěn)定性運用統(tǒng)計學流程控制方法流程控制過程質(zhì)量控制系統(tǒng)和離線分析PAT 反饋控制和實時監(jiān)控產(chǎn)品參數(shù)測試產(chǎn)品質(zhì)量根據(jù)產(chǎn)品所需性能的相關(guān)支持性數(shù)根據(jù)注冊時每批的數(shù)據(jù)據(jù)，科學優(yōu)化出設定參數(shù)控制策略藥物質(zhì)量控制主要是中間體和基于風險和知識管理，質(zhì)量控制轉(zhuǎn)移產(chǎn)品測試到上游，使實時放行測試或減少終端產(chǎn)品測試變?yōu)榭赡苌芷诜磻袨椋ㄈ缃鉀Q問題，糾正預防性的持續(xù)改進管理措施）2005 年 7 月開始，F(xiàn)DA 招募了輝瑞、默克和禮來等 9 個國際大公司企業(yè)的 11 個 項目進行 QbD 注冊申報試點。目前，其中的 9 個項目已經(jīng)通過了注冊審批。輝瑞伐尼克蘭片劑（vareniclin tablets）和馬

23、拉韋羅片劑（maraviro tablets）的新藥申請中參 與了 FDA 的試點計劃。輝瑞可以立即對伐尼克蘭的生產(chǎn)過程進行變更，從而實現(xiàn)了 上市后監(jiān)管的靈活性，這一計劃預期將會為輝瑞節(jié)省 2 億美元6。退休前一直負責 QbD 試點項目，現(xiàn)任輝瑞全球化學藥品生產(chǎn)監(jiān)管部高級總監(jiān)的 陳琪婉博士認為，下一步，F(xiàn)DA 將會在國際上繼續(xù)積極推動 QbD 的運用，并幫助工 業(yè)界實施 QbD。不過，F(xiàn)DA 執(zhí)法辦公室生產(chǎn)與產(chǎn)品質(zhì)量部副主任 Buhay 表示，F(xiàn)DA 不會把 QbD 變成一個強制執(zhí)行的要求，但會鼓勵企業(yè)實施 QbD 指南。這點在 Q8R 中也多次明確提出。 醫(yī)療器械和 POCT 我國醫(yī)療器械的

24、發(fā)展現(xiàn)狀醫(yī)療器械監(jiān)督管理條例9規(guī)定，醫(yī)療器械是指單獨或者組合使用于人體的儀 器、設備、器具、材料或者其他物品，包括所需要的軟件；其用于人體體表及體內(nèi)的 作用不是用藥理學、免疫學或者代謝的手段獲得，但是可能有這些手段參與并起一定 的輔助作用；其使用旨在達到下列預期目的：（一）對疾病的預防、診斷、治療、監(jiān)護、緩解；（二）對損傷或者殘疾的診斷、治療、監(jiān)護、緩解、補償；（三）對解剖或者生理過程的研究、替代、調(diào)節(jié)；（四）妊娠控制。 我國將醫(yī)療器械分為三類9，具體分類情況如下：第一類是指，通過常規(guī)管理足以保證其安全性、有效性的醫(yī)療器械； 第二類是指，對其安全性、有效性應當加以控制的醫(yī)療器械；第三類是指，植

25、入人體；用于支持、維持生命；對人體具有潛在危險，對其安全 性、有效性必須嚴格控制的醫(yī)療器械。上述分類是根據(jù)安全性來分類的，醫(yī)療器械使用的風險從低到高次序依次為一類、 二類、三類，因此監(jiān)管的嚴格程度也逐級提高，生產(chǎn)第二類、第三類醫(yī)療器械應當通過臨床驗證。第一類醫(yī)療器械由設區(qū)的市級食品藥品監(jiān)督管理局審批、發(fā)產(chǎn)品注冊證。 第二類醫(yī)療器械必須由省級食品藥品監(jiān)督管理局審批、發(fā)產(chǎn)品注冊證。第三類醫(yī)療器 械必須由國家食品藥品監(jiān)督局審批、發(fā)產(chǎn)品注冊證。盡管“七五”至“九五”期間，國家對醫(yī)療器械科技攻關(guān)項目投入的總資金即已 近 3000 萬元，但由于醫(yī)療器械產(chǎn)業(yè)整體基礎薄弱，銷售總額低，大多數(shù)企業(yè)自身的 研究開

26、發(fā)費投入和銷售額之比至多也不超過 3%。欣慰的是，近十年來隨著國家經(jīng)濟 實力的增強，有關(guān)部門設立的多種類型科研或開發(fā)資助項目（如 863 計劃、國家重點 專項、產(chǎn)業(yè)化專項、中小企業(yè)創(chuàng)業(yè)基金等等）中，列入醫(yī)療器械相關(guān)課題明顯增加， 大大增強了支持力度。僅 2002 至 2004 年的短短三年中，國家利用國債資金投入 30多個醫(yī)療器械項目，其投入總額就達到 3 億元10。高比率、高額度研發(fā)投入的直接效 果是產(chǎn)品換代周期縮短，創(chuàng)新產(chǎn)品上市加快，同時也催生了一批有較強國際競爭力的 名優(yōu)企業(yè)和一批有自主知識產(chǎn)權(quán)的核心產(chǎn)品，如邁瑞的病人監(jiān)護儀、汕頭 B 超、萬東 的中型 X 射線診斷機、蘇州醫(yī)療的裂隙燈顯

27、微鏡、長峰呼吸麻醉機。但是我國醫(yī)療器械產(chǎn)業(yè)從總體上來說與美日等國外發(fā)達國家相比還有很大差距。 中國醫(yī)療器械總產(chǎn)值僅占世界的 2%左右，而美國占 42%左右。不僅表現(xiàn)在總體規(guī)模， 在醫(yī)療器械核心技術(shù)、重大裝備研究和發(fā)明專利數(shù)量方面，我國也有較大差距。大部 分企業(yè)仍然在創(chuàng)新和研發(fā)方面存在著種種問題，企業(yè)總體競爭力依然缺乏，大型企業(yè) 占全部醫(yī)療器械生產(chǎn)企業(yè)的比例遠遠低于發(fā)達國家平均水平。國內(nèi)醫(yī)療器械生產(chǎn)企業(yè) 12000 余家，但年營業(yè)額超過 1 億元的僅 35-50 家11。和藥品行業(yè)相同的是，醫(yī)療器械行業(yè)也是高投入、高增長、高回報的產(chǎn)業(yè)。然而 擺在眾多醫(yī)療器械廠家的第一道難題便是高投入，以美國為例

28、，美國產(chǎn)品開發(fā)平均投 資占銷售的 3.4%，其中化學工業(yè)為 3.8%，航空航天為 4.1%，計算機為 5.4%，而醫(yī) 療器械高達 6.2%12。相當多的企業(yè)存在畏難情緒和急功近利的想法，放棄了新產(chǎn)品的開發(fā)，另有許多 企業(yè)未及見到高增長和高回報的光明大道，便倒在了高投入的路上。因此我國的醫(yī)療 器械生產(chǎn)企業(yè)在開發(fā)產(chǎn)品的過程中更迫切需要引入先進的管理思想、方法，保障和提 高產(chǎn)品的質(zhì)量，確保產(chǎn)品安全有效。為切實高效使用有限的研發(fā)經(jīng)費，提高研發(fā)質(zhì)量， 本文引入 QbD 原則指導新產(chǎn)品的研發(fā)。POCT隨著科學技術(shù)的飛速發(fā)展，檢驗醫(yī)學的醫(yī)療器械發(fā)展出現(xiàn)兩極分化：一方面是各 類大型自動化、高效率儀器設備的相繼

29、問世，模塊式的組合和流水線式的“Automation” 大大提高了臨床實驗室的工作效率；另一方面是實驗儀器小型化、操作簡便化、結(jié)果 報告及時化、準確化，越來越受到臨床醫(yī)護人員、病人及其家屬的青睞。1995 年，在加利福尼亞召開的 AACC（美國臨床化學協(xié)會）年會展覽會上辟出一 個特殊的展區(qū)，專門展示一些可以快捷移動、操作簡便、結(jié)果準確可靠的技術(shù)與設備， 這些新穎的技術(shù)和設備帶給所有參觀者以嶄新的概念。POCT 產(chǎn)品即契合了上述特點 的檢驗設備。美國國家臨床生化科學院（NACB）將 POCT（point-of-care testing)定義為“在接 近受試者處，由未接受臨床實驗室科學訓練的人員或

30、受試者筆者進行的實驗檢驗；它 是在傳統(tǒng)的中心實驗室以外進行的一切檢驗” 13。隨著免疫反應和分子生物技術(shù)的引進，POCT 的使用更為便捷，檢測和應用的范 圍更為廣泛。從最初的檢測血糖、妊娠，擴展到監(jiān)測血凝狀態(tài)、心肌損傷、酸堿平衡、 感染性疾病和治療藥物濃度監(jiān)測（TMD）等；使用的場所，從事故現(xiàn)場、家庭，延伸 到了病房、門診、急診、監(jiān)護室、手術(shù)室甚至海關(guān)、社區(qū)保健站、私人診所；應用的 領(lǐng)域也已經(jīng)從臨床擴展到食品衛(wèi)生、環(huán)境檢測、禁毒、法醫(yī)。POCT 的真正含義即： 不僅是專業(yè)的醫(yī)護人員，經(jīng)過簡單培訓的病人及其家屬也能獨立完成并能獲得有助于 臨床診斷的信息的移動檢驗系統(tǒng)。據(jù)報道，2007 年 POC

31、T 的全球銷售額約 113 億美元，占到全球檢驗市場份額的 34%，并以每年 11%的速度增長14-15。我國的市場規(guī)模大約為 12 億美元，年增長速 度約 15-20%。國內(nèi)僅血糖儀一項產(chǎn)品就有數(shù)十個品牌，其市場前景可見一斑。由于 技術(shù)與原材料等方面的原因，我國 POCT 產(chǎn)業(yè)發(fā)展總體上遠遠落后于發(fā)達國家。目前， 注冊企業(yè)數(shù)量少，品種也主要集中在 HCG 和“尿十項”、“尿八項”、血糖等常規(guī)檢測 項目上。2004 年我國自產(chǎn) POCT 產(chǎn)品銷售額約 9 億元人民幣，其中“尿十項”、血糖 等 5 個品種的銷售額約 8 億元人民幣，占 89%16。由于缺乏自主知識產(chǎn)權(quán)的獨創(chuàng)技術(shù)， 再加上市場開發(fā)

32、不充分，我國居家健康自檢產(chǎn)品十分落后，目前僅血糖、骨健康、微 營養(yǎng)評價等的十余個品種在市。POCT 檢測儀器滿足了臨床醫(yī)護人員、病人及其家屬對儀器小型化、操作簡便化、 結(jié)果報告及時化、準確化的需求。QbD 的精髓之一就是指導生產(chǎn)企業(yè)在設計階段就考 慮產(chǎn)品質(zhì)量和顧客需要，因此希望利用 QbD 原則指導 POCT 儀器的研究開發(fā)，在滿 足顧客需求甚至超越顧客需求方面做出更多努力。層析式膽固醇自測儀的研究背景隨著人們生活水平的不斷提高，高脂血癥發(fā)病率也不斷增加。高脂血癥是動脈粥 樣硬化的主要發(fā)病因素。臨床證實經(jīng)降脂治療能使心血管疾病死亡率下降 13%。為更 好盡早進行調(diào)脂治療，降低動脈粥樣硬化的發(fā)生

33、率，血脂的早期診斷和監(jiān)測具有重要 意義?？偰懝檀迹ê喎Q膽固醇，TC）是血脂中的主要成分之一，因此總膽固醇含量成 為重要的監(jiān)測對象，例如使用脂質(zhì)調(diào)節(jié)藥他汀類藥物 Statins 時就要求定時檢查膽固醇 總量，以確保治療的安全、連續(xù)、有效。長期以來，臨床上一直采用實驗室的大型自動生化分析儀來檢測血液中膽固醇的 含量，由于經(jīng)常去醫(yī)院檢測非常不方便，而人們又需要經(jīng)常監(jiān)測膽固醇的含量，因此 滿足 POCT 要求的操作簡單、測量值精度滿足監(jiān)測需求、體積小的膽固醇快速檢測儀 應運而生。近年 Lifestream17和 Polymer technology systems18等公司生產(chǎn)出電子式總膽固醇 專用監(jiān)

34、測儀，需配合使用一次性測試條，在測試條的加樣區(qū)滴加一滴指尖血，幾分鐘 后儀器的屏幕上給出膽固醇總量的檢測數(shù)值。這類儀器使用比較方便，類似于普遍推 廣的血糖儀，此類產(chǎn)品雖然具有快速、便攜、用血量小的特點，但其儀器價格高昂、 試紙使用成本高，使用前需要校正，且存在血液污染的危險。美國 Accutech19和 Home Access Health20兩家公司提供一次性非電子式膽固醇測試盒。在測試時需要一或兩滴 血樣，大約 15 分鐘后，通過讀數(shù)卡的比對即可讀出總膽固醇含量的數(shù)值。國內(nèi)有關(guān)總膽固醇檢測儀器或血清總膽固醇的測定方法（包括酶法和比色法等） 方面的研究報道非常少。國內(nèi)尚未見用于 POCT 的

35、一次性非電子式膽固醇測試盒或裝 置。1.2研究內(nèi)容在醫(yī)療器械行業(yè)，為確保醫(yī)療器械的安全有效，國際標準化組織 ISO/TC210(醫(yī)療器械質(zhì)量管理和通用要求技術(shù)委員會)制定了關(guān)于醫(yī)療器械行業(yè)管理標準 ISO13485醫(yī)療器械 質(zhì)量體系 用于法規(guī)的要求21。目前在世界范圍內(nèi)廣泛使用的是經(jīng)過修 訂的 2003 版，我國已將該標準等同轉(zhuǎn)化為醫(yī)藥行業(yè)標準 YY/T0287 標準。IS013485： 2003 醫(yī)療器械質(zhì)量管理體系可作為企業(yè)進行醫(yī)療器械的設計和開發(fā)、生產(chǎn)、安裝和服 務，以及相關(guān)服務的設計、開發(fā)和提供的標準，同時也可用于內(nèi)部和外部(包括認證 機構(gòu))評定組織滿足顧客和法規(guī)要求的能力。ISO13

36、485 標準的頒布和貫徹實施對規(guī)范 醫(yī)療器械生產(chǎn)企業(yè)的質(zhì)量管理，提升醫(yī)療器械生產(chǎn)企業(yè)的管理素質(zhì)、技術(shù)素質(zhì)和整體 實力，促進行業(yè)發(fā)展起到巨大的推動作用。ISO13485 標準在世界范圍內(nèi)受到廣泛認同，通過此標準的認證表示產(chǎn)品可以得到 醫(yī)療工作者和最終用戶的信任。歐盟、加拿大、亞洲等眾多國家或者正式要求出具符 合 ISO13485 標準的證明，或者在進口許可程序中非正式地要求遵循 ISO 標準。美國 FDA 的質(zhì)量體系標準即 1996 年頒發(fā)的 21 CFR 820，它在導言中述及 ISO13485 標 準和它基本一致22。QbD 與現(xiàn)在廣泛推廣的 ISO13485 標準并不矛盾。從法規(guī)的要求看，

37、ISO13485 標準強調(diào)滿足法規(guī)的要求，“保持其有效性”，是醫(yī)療器械產(chǎn)品準入市場的基本要求。 QbD 目前僅屬于指導性原則，非強制性標準。從內(nèi)容看，QbD 是對 ISO13485 標準內(nèi) 容的加深。ISO13485 標準更側(cè)重流程管理，需對每個規(guī)定流程的動作進行確認和控 制。QbD 更強調(diào)如何實現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量和工藝的可控，那就是從產(chǎn)品研發(fā)階段就考慮顧客 的需要，從設計輸入開始就通過設計把質(zhì)量筑進產(chǎn)品中。在滿足法規(guī)要求使用 ISO13485 標準對醫(yī)療器械開發(fā)進行管理的基礎上，為追求 產(chǎn)品卓越和最大程度滿足顧客的要求，因此考慮借鑒發(fā)展較為成熟的藥品行業(yè)的管理 方法，前瞻性地嘗試將 QbD 應用在

38、POCT 醫(yī)療器械研發(fā)管理中，提高新產(chǎn)品的研發(fā) 質(zhì)量和效率。筆者所在企業(yè)剛跨入醫(yī)療器械行業(yè)，開發(fā) POCT 類第一個產(chǎn)品，對產(chǎn)品 也僅有模糊的定位（快速、便攜、用血量小、價廉），嘗試探索 QbD 指導原則在全新 的領(lǐng)域內(nèi)，全新的產(chǎn)品上，對研發(fā)不同階段及各個環(huán)節(jié)設計空間的指導作用。QbD 與 現(xiàn)在廣泛推廣的 ISO13485 標準并不矛盾，而是加深。ISO13485 標準中對醫(yī)療器械的 設計開發(fā)做了詳細要求，從設計的多個環(huán)節(jié)進行管理，這種管理強調(diào)過程控制，產(chǎn)品 質(zhì)量和工藝控制的可控性。QbD 更強調(diào)了如何實現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量和工藝的可控，那就是從產(chǎn)品研發(fā)階段就考慮顧客的需要，從設計輸入開始就通過設計把質(zhì)

39、量筑進產(chǎn)品中。產(chǎn) 品質(zhì)量管理應該從產(chǎn)品設計開始，而不是從原料藥采購，這是對原來產(chǎn)品質(zhì)量管理認 識的革命性提高。滿足了 ISO13485 標準的要求只能認為是滿足了法規(guī)和市場準入的基本要求，對 于追求產(chǎn)品卓越和最大程度滿足顧客的要求，企業(yè)要對自己提出更高的要求。因此考 慮借鑒發(fā)展較為成熟的藥品行業(yè)的管理方法，前瞻性地嘗試將 QbD 應用在 POCT 醫(yī) 療器械研發(fā)管理中，提高新產(chǎn)品的研發(fā)質(zhì)量和效率。筆者所在企業(yè)剛跨入醫(yī)療器械行業(yè)，開發(fā) POCT 類第一個產(chǎn)品，對產(chǎn)品也僅有模 糊的定位（快速、便攜、用血量小、價廉），嘗試探索 QbD 指導原則在全新的領(lǐng)域內(nèi)， 全新的產(chǎn)品上，對研發(fā)不同階段及各個環(huán)節(jié)

40、設計空間的指導作用。1.3 研究意義本文探討了 QbD 在 POCT 醫(yī)療器械研發(fā)管理中的實證研究，是對 QbD 在醫(yī)藥行 業(yè)研發(fā)管理方法的初步探索，是現(xiàn)代管理理論與醫(yī)療器械研發(fā)實踐相結(jié)合的產(chǎn)物。借 鑒了在其他行業(yè)應用成熟的 QbD 原則來指導醫(yī)療器械研發(fā)實踐，對作者所在企業(yè)以 及醫(yī)療器械行業(yè)研發(fā)管理具有一定的指導意義。1.4 本論文的研究方法本文在對 QbD 指導原則的研究文獻進行綜合分析的基礎上，通過在北京大學學習 期間對國內(nèi)外制藥企業(yè)利用 QbD 原則指導新產(chǎn)品開發(fā)的實際運作狀況的考察和學習， 總結(jié)自身從事新產(chǎn)品開發(fā)管理和海內(nèi)外市場營銷管理工作的經(jīng)驗，基于醫(yī)療器械新產(chǎn) 品開發(fā)項目技術(shù)性和

41、經(jīng)濟性評價的特點，運用 DoE（試驗設計）、RiA（風險評估）和 PAT（過程分析技術(shù)）、項目評價方法、邏輯分析方法等定性或定量方法進行新產(chǎn)品設 計開發(fā)。本文既包括對 QbD 指導醫(yī)療器械研發(fā)管理的研究分析，也包括研發(fā)實踐的 經(jīng)驗總結(jié)。第二章層析式總膽固醇自測儀的設計本文將 QbD 的指導原則與醫(yī)療器械產(chǎn)品的一般開發(fā)原則有機結(jié)合，并合理運用到 POCT 類產(chǎn)品的設計開發(fā)中。運用 QbD 原則指導產(chǎn)品的設計開發(fā)，有利于從宏觀上 把握產(chǎn)品的開發(fā)方向及開發(fā)內(nèi)容，從而使產(chǎn)品的每一個模塊處于合理的控制中。在 QbD 指導原則下，層析式總膽固醇自測儀的設計包括檢測原理設計和儀器設計兩大 部分，同時每一部分

42、又可進一步劃分。在項目啟動時，以魚骨圖為例對產(chǎn)品的設計和 開發(fā)過程進行概括，如下圖所示：人員系統(tǒng)選材檢測模擬成品驗證原材料設備膽固醇動物血清人血清人全血過濾系統(tǒng)穩(wěn)定性TC自測儀方法篩選定量方法酶系統(tǒng)顯色系統(tǒng)性能測試原理設計儀器設計成品測試圖 2-1產(chǎn)品設計和開發(fā)的魚骨圖2.1檢測原理設計總膽固醇定量分析方法概述酶法測定總膽固醇人體中2/3膽固醇以酯的形式存在，1/3以游離的形式存在，所以測定膽固醇的第 一步是使膽固醇酯在膽固醇酯化酶(CE)的作用下釋放出游離的膽固醇，這樣才能測出 總的膽固醇含量。游離的膽固醇在膽固醇氧化酶（CO）的作用下生成過氧化氫，生 成的過氧化氫在過氧化氫酶(HRP)的作

43、用下跟顯色劑反應生成有色物質(zhì)，根據(jù)有色物 質(zhì)在特定波長的吸光度，計算血清中總膽固醇的濃度23，其反應過程用反應式見圖 2-2。其中應用最廣的是用Trinder顯色反應系統(tǒng)，試劑含過氧化物酶（POD）、4-氨基 安替比林(4-AAP)和酚，三者合稱PAP。目前國內(nèi)膽固醇試劑盒廣泛采用這種方法。Cholesterol esterCholesterol esteraseCholesterol + fatty AcidOxygenCholesterol oxidase Hydrogen peroxide+ 4-CholesteroneChromogenPeroxidase Colour indicat

44、or+ Water圖 2-2酶法測定總膽固醇原理高效液相色譜法測定總膽固醇血清樣品用氫氧化鉀醇溶液皂化，將其中的膽固醇提取到正己烷中并衍生為苯甲 酸酯，以高效液相色譜儀測定膽固醇的峰面積。由于不同濃度的標準或樣品的內(nèi)標量 相等，故膽固醇色譜峰面積與內(nèi)標峰面積的比隨膽固醇濃度的增高而增高，將樣品的 峰面積比與標準的峰面積比比較即得到樣品膽固醇濃度。由于使用了有效的色譜分 離，能有效地消除血清中其它甾醇的干擾24。圖 2-3HPLC 測定總膽固醇原理25化學顯色法測定總膽固醇1） 高鐵-硫酸顯色法 用以丙醇沉淀血清蛋白質(zhì)，提取上清液中的膽固醇，再用氧化鋁吸附膽紅素、磷脂、甘油等干擾物，離心后于上清

45、液中加入高鐵-硫酸試劑，反應產(chǎn)物顯紫紅色，其 顯色程度與總膽固醇濃度成正比。膽固醇酯與游離膽固醇在高鐵反應顯色程度一致，所以可以免去膽固醇酯水解反 應，但不能省去抽提與吸附劑去除干擾物的過程26。2）鄰苯二甲醛顯色法 膽固醇及其酯在硫酸作用下與鄰苯二甲醛產(chǎn)生紫紅色物質(zhì)，此物質(zhì)在 550nm 波長處有最大吸收，可用比色法作總膽固醇的定量測定。膽固醇含量在 400mg/dL 內(nèi)，與OD 值呈良好線性關(guān)系。 本法不必離心，顏色產(chǎn)物也比較穩(wěn)定，膽紅素及一般溶血對結(jié)果影響不大，嚴重溶血者才使結(jié)果偏高。本法在 2037條件下顯色，顯色后 5 分鐘開始至半小時以 上顏色基本穩(wěn)定。溫度過低，顯色劑強度減弱；加

46、混合酸后振搖過激能使產(chǎn)熱過高， 也可使顯色減弱27。定量分析方法選擇血清膽固醇(CHOL)測定方法種類繁多，化學方法大都用有機溶劑提取血清中的 CHOL，用特殊試劑顯色，然后比色測定。主要顯色反應有 Liebermann-Burchard(L-B) 反應及高鐵-硫酸反應等兩類。這些方法須用腐蝕性的濃酸試劑，特異性差，干擾因 素多，準確測定有賴于從血清中提取膽固醇，并對抽提液進行純化。因此操作步驟多， 不適于常規(guī)應用。美國疾病控制中心(CDC)脂類測定標準化實驗室所審定的 ALBK 法， 由于抽提液中基本上不存在 L-B 反應的干擾物，結(jié)果準確，為目前國際上通用的參考 方法。此法雖然不很復雜，但

47、也不易準確掌握。現(xiàn)在還有少數(shù)實驗室應用 LB 試劑 直接顯色法、鄰苯二甲醛法等，準確性差，已在淘汰之列23。高效液相色譜法測定總膽固醇是中華醫(yī)學會檢驗學會血脂測定推薦方法血 清總膽固醇測定參考方法，但由于樣品的前處理復雜、且需要大型儀器，不適合用于 POCT 的開發(fā)。酶法測定總膽固醇是中華醫(yī)學會檢驗學會血脂測定推薦方法血清總膽固醇測定推薦方法，血清樣本不需要前處理、酶反應的高效性、檢測產(chǎn)物為過氧化氫，這都 有利用 POCT 產(chǎn)品的設計和開發(fā)。因此，總膽固醇自測儀采用酶法進行設計和開發(fā)。2.2儀器設計儀器原理設計總膽固醇自測儀應當可以把全血處理后得到血漿。血漿中膽固醇酯經(jīng)過膽固醇酯 酶反應后游離

48、出膽固醇，游離膽固醇在膽固醇氧化酶作用下產(chǎn)生過氧化氫；過氧化氫 應該與顯色系統(tǒng)產(chǎn)生顯色反應，而且產(chǎn)生一定高度的顯色色帶。顯色高度總膽固 醇濃度之間應有一定的數(shù)量關(guān)系，從而檢測出總膽固醇的濃度，而且能達到一定準確 度和精密度。檢測系統(tǒng)設計總膽固醇自測儀應當至少包括三個部分：血液過濾系統(tǒng)、反應系統(tǒng)、載體容器。 這三個部分即獨立又緊密結(jié)合，每個部分的功能必須完全實現(xiàn)，才能保證總膽固醇自 測儀設定功能的實施。過濾系統(tǒng)設計過濾系統(tǒng)的主要功能是將從血液中分離出血漿，去除血細胞等物質(zhì)對檢測的潛 在干擾。根據(jù)滴加血液體積的多少，可以嘗試不同結(jié)構(gòu)的過濾系統(tǒng)。圖 2-4 所示是血 液體積較小時的結(jié)構(gòu)，一般適合 2

49、0L 以下；圖 2-5 所示是血液體積較大時的結(jié)構(gòu)， 一般適合 20L60L。當實驗需要大量進行血液過濾系統(tǒng)時，在批量生產(chǎn)之前，可 以按圖 2-6 用激光快速成型或 CNC 手板制作少量的血液過濾板，以提高實驗效率和 盡量保證過濾系統(tǒng)的一致性。圖 2-4過濾系統(tǒng) A圖 2-5過濾系統(tǒng) B圖 2-6過濾系統(tǒng) C反應系統(tǒng)設計反應系統(tǒng)的功能主要是使血漿與酶進行反應產(chǎn)生過氧化氫，同時使過氧化氫被捕 捉，而與顯色劑進行顯色反應，并且使顯色的高度與總膽固醇的濃度有數(shù)量關(guān)系。為 實現(xiàn)以上功能，反應系統(tǒng)應當至少包括樣品接收區(qū)、反應控制區(qū)、顯色系統(tǒng) 3 部分。 樣品接收區(qū)和反應控制區(qū)可能含有酶，顯色區(qū)含有顯色劑

50、。當血漿的體積不足以虹吸 滿所有試紙時，還需要增加一個溶液區(qū)或者以外加的方式補充溶液。結(jié)合以上功能的 描述和現(xiàn)有的診斷材料，產(chǎn)品選擇用層析的方式實現(xiàn)。反應系統(tǒng)的形式如圖 2-7 所示。載體容器設計載體容器的功能是容納過濾系統(tǒng)和反應系統(tǒng)，為它們提供支撐載體，同時需要進 行結(jié)構(gòu)設計，解決兩個系統(tǒng)的結(jié)合問題。載體容器的實現(xiàn)形式如圖 2-8 所示。圖 2-7反應系統(tǒng)示意圖圖 2-8載體容器示意圖檢測系統(tǒng)選材過濾系統(tǒng)、樣品吸收區(qū)、反應控制區(qū)、顯色系統(tǒng)的功能是否能實現(xiàn)還決定于材料 的選擇。近年紙診斷的技術(shù)得到了廣泛的應用，利用這些技術(shù)所開發(fā)的層析診斷產(chǎn)品 能做到高靈敏、重復性好和經(jīng)濟化生產(chǎn)，適合在很大范圍領(lǐng)域內(nèi)應用。通過選擇合適 的材料、生產(chǎn)設備和生產(chǎn)工藝技術(shù)，體外診斷（IVD）生產(chǎn)商能生產(chǎn)出符合嚴格性能 標準的診斷產(chǎn)品，所以對這些選擇需要格外關(guān)注28。 過濾系統(tǒng)選材過濾系統(tǒng)用于過濾血液中的細胞等干擾物質(zhì)，使檢測反應順利進行。一般滴入過 濾系統(tǒng)的血液總量低于 100L，通常在 1060L。為保證得到足夠血漿的同時使血漿中含有盡可能少的血細胞，過濾系統(tǒng)的表面可 以是一個網(wǎng)格膜，中間是兩層薄膜，最底